趙 曉，王瑞凱，2，張文輝，李 斌

(1.武警水電部隊三峽工程指揮部，武漢 430073;2.河海大學(xué) 水利水電學(xué)院，南京 210098)

1 研究背景

隨著地下開挖技術(shù)的進步，復(fù)雜洞室工程越來越多，最為典型的是地下水電站和儲藏?zé)N類物質(zhì)的洞室。地下水電站因為地下廠房、主變壓器室、尾水調(diào)壓室、引水隧洞、尾水隧洞以及交通洞的連通使得洞室規(guī)模越來越大;儲藏?zé)N類物質(zhì)以地下石油庫為代表，往往包含有多組洞罐、用于注入石油的操作豎井、通風(fēng)豎井、水幕巷道、連接洞、交通洞等，洞室規(guī)模大，空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜，連通狀況復(fù)雜，如圖1所示的某地下石油庫一組洞罐的空間立體示意圖。

圖1 某地下石油庫的空間立體示意圖Fig.1 Three-dimensional diagram of an underground oil-storage cavern

洞室空間狀況與連通狀況復(fù)雜，給施工過程的通風(fēng)帶來了諸多困難與問題，主要表現(xiàn)在:如何提高通風(fēng)效率，即在給定條件下盡可能縮短通風(fēng)時間、節(jié)省能耗，保證洞室施工的空氣條件;如何組織、優(yōu)化風(fēng)流路徑，因為在洞室聯(lián)通狀況復(fù)雜的情況下，風(fēng)流路徑的辨識具有一定的難度;如何確定復(fù)雜洞室貫通情況下的流場，這是現(xiàn)場施工人員調(diào)整、優(yōu)化通風(fēng)方案的理論基礎(chǔ)。

本文所涉及到的內(nèi)容，其實是多年施工經(jīng)驗的認(rèn)識和在某地下儲油洞庫建設(shè)過程的總結(jié)，對類似工程具有一定的參考價值。

2 提高通風(fēng)效率的認(rèn)識與措施

式中:A為隧洞斷面積(m2);De為隧洞當(dāng)量直徑(m)。

讓風(fēng)筒出口距掌子面的距離，應(yīng)該在公式確定的范圍之內(nèi)，但現(xiàn)場往往做不到，其原因是布置偏近時，有施工的干擾、飛石會損壞通風(fēng)管等因素。但“及時、適當(dāng)”是應(yīng)把握的原則，如新奧法地下施工“適時支護”的原則、延長通風(fēng)筒不會在圍巖條件差的情況下延長支護;“及時支護”困難更大，但這種情況下的支護是必要的，且許多困難就可以克服、解決，也可以找出一套快速延長通風(fēng)筒的施工程序。

2.1 延長通風(fēng)筒出口的位置

對于通風(fēng)來說，最重要的工程參數(shù)是“有效風(fēng)流作用長度Le”。不同的國家所給出的計算公式有一定差別，如前蘇聯(lián)給出的公式(1)［1］與日本給出的公式(2)［2］，這些差別可認(rèn)為是有效作用長度的變化范圍，都是合理的。表1給出了隧洞斷面積為58 m2時，通風(fēng)筒出口距掌子面長度分別為40 m和80 m的情況下，隧洞工作面附近必要通風(fēng)時間。根據(jù)式(1)計算出的“有效風(fēng)流作用長度”為38 m。由表1可以看出，當(dāng)風(fēng)筒出口與工作面的距離從40 m增至80 m時，所需通風(fēng)時間增長了171%，具有明顯的變化。

表1 通風(fēng)時間對比Table 1 Comparison of ventilation time

2.2 優(yōu)化通風(fēng)筒出口形式

水工建筑物的進流、泄流出口都采用漸變的形式，高壓水槍為增大射流距離也有專門的出口設(shè)計［3］。通風(fēng)問題是典型的有限域內(nèi)的射流問題。據(jù)研究，洞內(nèi)污染氣體的排除，與2個重要因素有關(guān):一是射流的掃掠面積(可視為隨張角擴大的面積);二是射流與周圍氣體的紊動交換。其中以第一因素為主［4］。目前，尚沒見到工程上改變通風(fēng)筒出口的形狀來具體應(yīng)用的例子，其實進行該方面的優(yōu)化是有意義的。文獻［4］的計算表明，擴大的出口面積可以增大掃掠面積，洞內(nèi)回流的流速分布更為均勻，有利于污染物的排出，從通風(fēng)時間上來說，帶來了約7%左右的效率提高;收縮的出口雖然不能提高效率，但對于特定的情況，比如通風(fēng)筒的延長確有困難，但又確實需要增長風(fēng)流作用長度、或為了消除局部區(qū)域的污染物滯留，是可以考慮加上收縮式出口的。

2.3 優(yōu)化通風(fēng)效率

圖2是一個示意圖，用來說明在風(fēng)流進出口存在高差變化情況下的“煙囪效應(yīng)”，隧洞內(nèi)外的壓差ΔP可由式(3)計算。

式中:γ1和γ2分別是隧洞外部與豎井內(nèi)部的空氣重度;Δh為豎井的高度;P1為隧洞進口處大氣壓強;P2為隧洞內(nèi)部大氣壓強;圖中P0為豎井頂部大氣氣體壓強。

通常，洞內(nèi)溫度T2可視為恒溫，冬天大氣氣溫T1低，γ1＞ γ2，因此 ΔP ＞0，煙囪效應(yīng)明顯;夏季大氣溫度T1高，可能出現(xiàn)γ1＜γ2，此時的煙囪效應(yīng)是負(fù)的。我們知道，工業(yè)煙囪很多，作用很大，而洞室施工通風(fēng)中，人們往往忽略煙囪效應(yīng)。正確認(rèn)識、利用煙囪效應(yīng)，有提高效率、節(jié)約能源的益處，如冬天利用煙囪效應(yīng)，可提高通風(fēng)效率，減小通風(fēng)時間，或者降低通風(fēng)功率，節(jié)約電力;夏天則需要適當(dāng)提高通風(fēng)功率。

圖2 煙囪效應(yīng)示意圖Fig.2 Chimney effect

鑒于冬天外部氣溫低于洞內(nèi)，所以，ΔP為正值，這可視為冬天所附加的額外動力，也是煙囪效應(yīng)的驅(qū)動力。根據(jù)現(xiàn)場施工檢驗，在掌子面附近，冬天通風(fēng)時間約＜10 min，而夏天則需30 min左右;就整個洞室而言，冬天通風(fēng)時間約需2～3 h，但夏天則需要近乎10 h，可見冬天和夏天的通風(fēng)效率差別較大，因此，地下洞室施工時，可利用洞室內(nèi)外的溫差提高通風(fēng)效率與節(jié)約能源。

另外需要注意:夏天空氣濕度大，山體內(nèi)地下水位高，洞壁滲水現(xiàn)象增多，由洞壁帶來的附加蒸發(fā)量會大大增加，如果同時洞內(nèi)積水現(xiàn)象嚴(yán)重，加上煙囪效應(yīng)的減弱或負(fù)效應(yīng)，會使洞內(nèi)水汽濃度增大，這很不利于污染氣體的排除，因此，及時清理洞內(nèi)積水，也是改善洞內(nèi)空氣質(zhì)量的有效措施，應(yīng)引起注意。

2.4 增加連接巷道

洞室長度增長，洞與洞之間的連接狀況復(fù)雜時，風(fēng)流路徑會變得復(fù)雜，給通風(fēng)帶來困難，可表現(xiàn)在不同洞室之間的污染氣體排除效率不同，如本工程平行的主洞罐之間，有的污染氣體已經(jīng)完全排除干凈，有的洞罐污染氣體濃度還比較大;或者是，局部區(qū)段出現(xiàn)漩渦和死角，導(dǎo)致污染氣體排除不暢。綜合考慮施工期的長短，經(jīng)過經(jīng)濟比較，可在適當(dāng)?shù)囟卧黾舆B接巷道，增加通風(fēng)路徑。如圖1中所示在主洞室A末端增加了與主洞B的連接巷道，圖3為有無該連接巷道情況下，通風(fēng)6 250 s后，地下洞室中CO濃度分布比較，其中圖3(a)中可以看到明顯的有害氣體滯留，而圖3(b)則沒有，因此，連接巷道的增加，徹底解決了主洞室B中原本存在的有害氣體滯留的問題，這是解決通風(fēng)問題的良好措施，僅僅增加少量的工程投資，但是綜合效益巨大。

2.5 優(yōu)化風(fēng)流路徑

圖3 通風(fēng)6 250 s后CO濃度分布Fig.3 Distribution of CO concentration after ventilation for 6 250s

污染氣體能以較高的效率排出，必須要保持一定的風(fēng)流流速，這是關(guān)鍵，所以規(guī)范中有所謂的最小風(fēng)速的限制［5］。隨著洞室貫通情況的復(fù)雜化，污染氣體可能擴散至更多的孔道，原來設(shè)定的風(fēng)流路徑內(nèi)的流速就會降低，這樣，污染氣體的排除時間不但要增長，而且有可能導(dǎo)致某些隧洞內(nèi)污染氣體的積聚，由此可知，并不是連接通道越多效果就越好，可利用風(fēng)簾將巷道與相鄰巷道隔絕，使巷道內(nèi)風(fēng)流集中，這要根據(jù)實際情況予以判斷。圖4是一個說明該情況的實際例子，當(dāng)用風(fēng)簾將連接巷道堵塞以后，通風(fēng)效率有了明顯的提高，杜絕了風(fēng)流分散到相鄰巷道，使得有害氣體集中從通風(fēng)豎井排除。

圖4 風(fēng)簾示意圖Fig.4 Air brattice

2.6 通風(fēng)筒位置布置

通風(fēng)筒的位置，有布置于隧洞頂部的，有布置于側(cè)壁，或者布置于角落，基本上以布置方便為原則，這些位置基本上都是可以的。但從提高通風(fēng)效率講，應(yīng)使通風(fēng)射流盡可能晚地接觸到洞壁，也就是說要使出流的掃掠半徑(射流中心距離射流錐面的距離，即錐底半徑)最大，其道理存在于如下2方面:一是掃掠面積大的效果好(見本文2.2節(jié)的說明);另一方面，掃掠半徑大，使得通風(fēng)風(fēng)流接角邊壁較晚，因而通風(fēng)自出流口出風(fēng)到受到邊壁的約束作用時間較長，有效風(fēng)流長度Le會有一定程度的增大，從日本給出的有效風(fēng)流長度可以充分看出這一點，如圖5所示，風(fēng)筒放置在不同位置，根據(jù)式(4)至式(6)［2］，Le有所不同。

風(fēng)管安裝位置在隧道中央時

風(fēng)管安裝位置在隧道拱頂中央時

風(fēng)管安裝位置在隧道下拐角處時

圖5 風(fēng)筒布置示意圖Fig.5 Arrangement of air duct

2.7 數(shù)值模擬手段

利用數(shù)值計算來預(yù)先模擬通風(fēng)效果是一個很有效的手段［6－10］，可以對通風(fēng)設(shè)計予以評估、優(yōu)化，特別是在額外增加通風(fēng)洞、通風(fēng)豎井時，來預(yù)先模擬其必要性并優(yōu)化位置，這具有顯著的經(jīng)濟效益。數(shù)值模擬可以獲得較多有價值的成果:如復(fù)雜洞室連通情況下的風(fēng)流路徑，因為多點通風(fēng)、連通洞復(fù)雜，不能確切知曉風(fēng)流方向、風(fēng)流路徑，甚至有的風(fēng)流方向與預(yù)想的相反，如設(shè)想的是出流，實際上可能是入流，而數(shù)值流場分析可以很直觀地知道流向，即可實現(xiàn)風(fēng)流路徑的可視化;數(shù)值模擬可以計算出所需的通風(fēng)時間，為施工環(huán)節(jié)的安排(如放炮后何時出渣)提供理論依據(jù);數(shù)值模擬可以計算出不同通風(fēng)口的污染物排出量，從而為有目的地控制不同路徑的污染物排出量提供數(shù)值依據(jù)，如有時為改善司機以及相關(guān)施工、通勤人員的空氣環(huán)境質(zhì)量不允許交通洞內(nèi)排出過多的污染氣體;數(shù)值模擬還可以發(fā)現(xiàn)何處存在污染氣體滯留區(qū)，為臨時布置小型風(fēng)機、清除滯留區(qū)污染氣體提供依據(jù)。通風(fēng)實踐證明，數(shù)值模擬方法確實是很有用的工具。

2.8 優(yōu)化通風(fēng)機位置

在水平施工洞與通風(fēng)豎井相交之后，對于壓入式通風(fēng)，隨著隧洞掘進長度的進一步增加，通風(fēng)機的位置可以放置于豎井處的地面，也可以放在井底，各有優(yōu)缺點。放在地面，可改善洞內(nèi)施工環(huán)境，如避免噪音，便于維修，但通風(fēng)筒長度會增加;如將通風(fēng)機設(shè)置在井底，則可以矛在采用封閉措施后，直接利用豎井吸入新鮮空氣，就可以減少通風(fēng)筒的長度，減少沿程漏風(fēng)損失。但是由于通風(fēng)機在井底，位于施工巷道內(nèi)在交通要道頂部，將導(dǎo)致洞內(nèi)噪聲超限，同時不便于通風(fēng)機的管理維護。在以上情況下，要經(jīng)過詳細(xì)技術(shù)經(jīng)濟比較，才能確定最優(yōu)方案。對于通風(fēng)機放在洞內(nèi)的情形，要特別注意污染氣體循環(huán)卷吸的情況發(fā)生，避免通風(fēng)效率的降低。

2.9 加強通風(fēng)筒布的管理

在接近施工掌子面的地方，由于難以避免爆破飛石的打擊，通風(fēng)筒布容易被擊穿，這些擊穿的孔洞，大小不一，除較為明顯的孔洞外，小孔洞往往不被人們重視，隨著通風(fēng)管道的延長，這些孔洞的漏風(fēng)量影響很大，所以，在延伸通風(fēng)布的時候，及時修補已經(jīng)擊穿的孔洞是很必要，必須引起重視;通風(fēng)管連接處、特別是分叉連接處，也往往是漏風(fēng)量最為集中的地方，管理人員在現(xiàn)場巡察時，要重點關(guān)注這些地方。

3 結(jié)語

本文結(jié)合多年的工程管理經(jīng)驗，總結(jié)了幾條提高通風(fēng)效率的措施和認(rèn)識。工程各有不同，都有自己的特點，但本文抽象出的幾條經(jīng)驗具有一定的通用性，對于壓入式通風(fēng)的布置、優(yōu)化有一定的參考意義。特別是對加快排除有害氣體的速度、提高通風(fēng)效率、節(jié)約能源幾方面有一定的指導(dǎo)意義。

(1)風(fēng)流作用長度，掌子面要盡可能布置在有效風(fēng)流作用長度之內(nèi)。

(2)盡可能利用季節(jié)溫差，提高通風(fēng)效率、動態(tài)調(diào)整通風(fēng)時間;要能夠及時做到利用隨時變化的內(nèi)外溫差來優(yōu)化通風(fēng)，則有較大的節(jié)能潛力。

(3)不同通風(fēng)方案的選定、優(yōu)化問題，可事先對擬定的每一種方案進行數(shù)值仿真，仿真結(jié)果可動態(tài)顯示通風(fēng)過程、風(fēng)流路徑、通風(fēng)時間、有害氣體排除量、是否存在有害氣體滯留區(qū)、以及低風(fēng)速區(qū)域等，現(xiàn)代通風(fēng)設(shè)計要善于利用數(shù)值仿真工具。

(4)管理方面的問題，主要是要注意對通風(fēng)設(shè)施的維護。

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